بلاک چین کوانتومی، راه‌حل تهدید رایانه کوانتومی

رایانه‌های کوانتومی می‌توانند رمزنگاری بلاک چین‌های کنونی را به‌راحتی بی‌اثر کنند. در این میان، طراحی الگویی نوین برای بلاک چین می‌تواند این خطر را در آینده خنثی کند.

بلاک چین یک ساختار مبتنی بر ریاضی است که داده‌ها به صورت امن روی آن ذخیره می‌شوند. بلاک چین با ظهور بیت کوین به صورت عملی و گسترده مورد استفاده قرار گرفت. بیت کوین بر بستر یک شبکه بلاک چین که داده‌های مربوط به تراکنش‌ها را ذخیره می‌کند شکل گرفته است.

اما بلاک چین فقط برای ذخیره‌ی اطلاعاتی از این دست نیست. شکل‌های دیگری از داده‌ها نظیر اطلاعات مربوط به انتقال مرسولات، پیشرفت برنامه‌های کامپیوتری، قراردادهای هوشمند و صدها مورد دیگر را می‌توان روی بلاک چین ثبت کرد. بسیاری بر این باورند که فناوری بلاک چین یکی از فناوری‌های پیشرو در قرن بیست‌ویکم خواهد بود.

اما بلاک چین یک پاشنه‌ی آشیل هم دارد. امنیت بلاک چین در گروه توابع استاندارد رمزگذاری است. دلیل امنیت بالای بلاک چین این است که شکستن این رمزها نیازمند حجم عظیمی از منابع کامپیوتری است که معمولا در دسترس نیست.

اما عرضه‌ی رایانه‌های کوانتومی همه چیز را دگرگون می‌سازد و بلاک چین نیز از این خطر مصون نیست. با استفاده از رایانه‌ی کوانتومی، حتی یک کودک نیز می‌تواند هر نوع رمزنگاری کنونی به کار رفته در بلاک چین‌ها را باز کند. اما یک نکته‌ی مهم نیز در این میان وجود دارد و آن هم اینکه رایانه‌های کوانتومی قادر به شکستن کدهای رمزنگاری کوانتومی نیستند. به همین دلیل، برخی کارشناسان پیشنهاد می‌کنند که رمزنگاری کوانتومی هر چه سریع‌تر به الگوی کنونی بلاک چین‌ها افزوده شود تا به این ترتیب، امنیت آنها در صورت عرضه‌ی رایانه‌های کوانتومی در آینده تضمین شود.

دل راجان (Del Rajan) و مت وایزر (Matt Visser) از دانشگاه ولینگتون در نیوزلند راه‌حلی بهتر و اساسی‌تر پیشنهاد می‌کنند. رمزنگاری کوانتومی صرفا یک لایه‌ی کوانتومی را به پروتکل استاندارد بلاک چین می‌افزاید. اما این دو پژوهشگر پیشنهاد می‌کنند که کل بلاک چین بر اساس پدیده‌ی رایانش کوانتومی نگاشته شود.

بر این اساس، بلاک چین با استفاده از ذرات کوانتومی ایجاد می‌شود. به این ترتیب هر ذره‌ی کوانتومی می‌تواند سابقه همه‌ی ذرات پیشین را به شکلی غیرقابل هک و غیرقابل تغییر در خود ذخیره کند. در واقع امنیت در چنین پروتکلی بر قوانین فیزیک کوانتوم استوار است. جالب اینجاست که این الگو یک نتیجه‌ی دیگر هم دارد و آن اینکه می‌توان این الگو را یک ماشین زمان به‌هم‌پیوسته‌ی کوانتومی نیز دانست.

درهم‌تنیدگی ذرات کوانتومی

برای درک بهتر ماجرا بیایید ابتدا به واکاوی بیشتر این قضیه بپردازیم. یک بلاک چین در واقع یک دفتر کل است که اطلاعات مشخصی (نظیر سوابق تراکنش‌های صورت گرفته) را در خود ذخیره می‌کند. تراکنش‌ها به طور پیوسته به پایگاه داده‌ی این سامانه (که بلاک نام دارد) وارد می‌شود. اما پس از گذشت یک بازه‌ی زمانی مشخص، این بلاک با استفاده از یک تابع ریاضی که تابع هش نام دارد رمزگذاری می‌شود. این تابع یک رشته‌ی منحصربه‌فرد (شامل یک سری اعداد و حروف) را ایجاد می‌کند که می‌تواند نماینده‌ی داده‌های موجود در همان بلاک باشد.

این رشته را می‌توان در بلاک بعدی و مجموعه‌ی بعدی تراکنش‌ها قرار داد. پس از مدتی که داده‌های جدید در بلاک قرار گرفت، باز هم یک رشته‌ی دیگر با استفاده از تابع هش ایجاد می‌شود. این رشته نیز به بلاک بعدی اضافه می‌شود و این روند همچنان ادامه می‌یابد. به این ترتیب یک مجموعه از بلاک‌های متصل به هم ایجاد می‌شود که موجب شکل‌گیری زنجیره‌ی بلاکی یا همان بلاک چین می‌شود.

اگر کسی بخواهد سوابق موجود در این زنجیره را دستکاری کند، باید به گونه‌ای این کار را انجام دهد که نتیجه‌ی تابع هش تغییر نکند. اما این کار به هیچ وجه ساده نیست و نیازمند توان پردازشی بسیار بالایی است و رایانه‌ی کاربران عادی به‌هیچ عنوان از عهده‌ی این کار برنمی‌آید. اما رایانه‌های کوانتومی که در آینده به بازار می‌آیند می‌توانند به‌راحتی از عهده‌ی این کار برآیند.

به‌همین‌دلیل، راجان و وایزر به فکر در پیش گرفتن رویکردی کاملا متفاوت افتادند که بلاک چین را در برابر تهدید رایانه کوانتومی ایمن می‌سازد. در این الگوی نوین، بلاک چین نیز کوانتومی خواهد بود. این الگو براساسِ پدیده‌ای پیش می‌رود که در اصطلاح «درهم‌تنیدگی» (entaglement) نامیده می‌شود. وقتی دو ذره‌ی کوانتومی درهم‌تنیده می‌شوند، ماهیت کوانتومی یکسان می‌یابند. از آن به بعد اندازه‌گیری یکی از آنها روی دیگری تاثیر می‌گذارد، فارغ از اینکه ذره‌ی دوم در کجا واقع شده باشد.

درهم‌تنیدگی دارای جزئیات و ظرافیت بسیار بالایی است و همین جزئیات زیاد سبب می‌شود استفاده از آن به افزایش امنیت سامانه بیانجامد. اندازه‌گیری یکی از جفت ذرات درهم‌تنیده موجب نابودی پیوند صورت‌گرفته میان آن دو می‌شود. بنابراین اگر یک کاربرِ خرابکار بخواهد یکی از دو ذره را دستکاری کند، ذره‌ی جفت آن نیز تحت‌تأثیر قرار می‌گیرد.

ذرات می‌توانند در فضا و نیز در زمان درهم‌تنیده شوند. به‌همین‌دلیل یک ذره که در زمان حال وجود دارد می‌تواند با ذره‌ای که در گذشته وجود داشته درهم‌تنیده شود. در نتیجه، اندازه‌گیری روی ذره در زمان حال بر روی ذخیره‌ی جفت‌شده تاثیر خواهد گذاشت.

این امر موجب ایجاد پدیده‌ای عجیب می‌شود. برای مثال امکان تأثیرگذاری بر گذشته فراهم می‌شود. البته این کار ساده نیست و محدودیت‌های شدیدی در این خصوص وجود دارد. برای نمونه، نمی‌توانید کاری کنید که یک قطار در گذشته پدربزرگ‌تان را در دوره‌ی مجردی بکُشد، زیرا در این صورت وجود شما نیز ناممکن خواهد بود! این شکل از تناقض در این پدیده روی نمی‌دهد. همچنین تمایز بین علت و معلول نیز دشوارتر خواهد شد. از دیگر نتایج این پدیده افزایش میزان اطلاعاتی است که می‌توان در زمان انتقال داد.

آیا ایجاد بلاک چین کوانتومی ممکن است؟

این دو دانشمند در حال حاضر مشغول بررسی امکان پیاده‌سازی بلاک چین کوانتومی هستند. این بلاک چین اطلاعات را بر روی ذرات کوانتومی ذخیره می‌کند. به این ترتیب، اولین بلاک شکل می‌گیرد. به‌تدریج که اطلاعات بیشتری فراهم می‌شود، اطلاعات جدید در قالب درهم‌تنیدگی با ذره‌ی دوم تلفیق می‌شود. به این ترتیب ذره‌ی اول از بین می‌رود و اطلاعات بلاک اول با اطلاعات بلاک دوم ترکیب می‌شود. اطلاعات بلاک سوم نیز به همین شیوه به بلاک دوم اضافه شده و ذره‌ی سوم جایگزین ذره‌ی دوم می‌شود.

این بلاک چین به‌این‌دلیل امنیت بالایی دارد که تلاش برای دستکاری داده‌های موجود بلافاصله شناسایی می‌شود. این اصلی‌ترین مزیت درهم‌تنیدگی کوانتومی است.

اما بلاک چین کوانتومی یک مزیت دیگر نیز دارد و آن هم اینکه بلاک‌های اولیه کاملا غیرقابل‌دستکاری هستند. در واقع چون فوتون‌های قبلی کاملا از بین رفته‌اند، امکان دستکاری آنها نیز وجود ندارد. راجان و وایزر می‌گویند:

درهم‌تنیدگی در زمان، امنیت به مراتب بیشتری نسبت به درهم‌تنیدگی در مکان دارد.

خوشبختانه بیشتر فناوری‌های لازم برای عملی ساختن این بلاک چین نیز حداقل به صورت نظری طراحی شده‌اند.

شرکت آی‌بی‌ام توانسته است یک رایانه‌ی کوانتومی با توان پردازشی ۵۰ کیوبیت طراحی کند و همچنان به تلاش برای بهبود آن مشغول است. تردیدی نیست که در آینده شاهد حضور رایانه‌های بسیار قدرتمند کوانتومی خواهیم بود که می‌توانند شیوه‌های کنونی رمزنگاری را بی‌اثر سازند.

اما یکی از پیش‌نیازهای ضروری برای ساخت بلاک چین کوانتومی هنوز آماده نیست. این پیش‌نیاز وب کوانتومی (quantum web) نام دارد. وب کوانتومی در واقع شبکه‌ای است که اطلاعات کوانتومی را از طریق روترهای کوانتومی جابه‌جا می‌کند، بدون اینکه ویژگی‌های کوانتومی ذرات تغییر کند. البته این شبکه طراحی شده است و احتمالا در چند ماه و یا سال آینده در اروپا، ایالات متحده و چین اجرایی می‌شود. ساخت چنین شبکه‌ای نیازمند کار سنگین مهندسی است و به‌همین‌دلیل زمان‌بر خواهد بود. ایجاد وب کوانتومی می‌تواند راه را برای شکل‌گیری بلاک چین کوانتومی هموار سازد.

منبع: technologyreview